Een nieuwe klasse kwantumdots levert een stabiele stroom enkelvoudige, spectraal afstembare infraroodfotonen onder omgevingsomstandigheden en bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot andere enkele foton emitters. Deze doorbraak opent een scala aan praktische toepassingen, inclusief kwantumcommunicatie, kwantummetrologie, medische beeldvorming en diagnostiek, en clandestiene etikettering.

"De demonstratie van een hoge zuiverheid van één foton in het infrarood heeft onmiddellijk nut op gebieden zoals de distributie van kwantumsleutels voor veilige communicatie, " zei Victor Klimov, hoofdauteur van een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie door wetenschappers van Los Alamos National Laboratory.

Het Los Alamos-team heeft een elegante benadering ontwikkeld voor het synthetiseren van de colloïdale nanodeeltjesstructuren die zijn afgeleid van hun eerdere werk aan emitters van zichtbaar licht op basis van een kern van cadmiumselenide ingekapseld in een cadmiumsulfide-omhulsel. Door een kwiksulfide-tussenlaag op de kern / schaal-interface in te voegen, het team veranderde de kwantumstippen in zeer efficiënte zenders van infrarood licht die kunnen worden afgestemd op een specifieke golflengte.

"Deze nieuwe synthese zorgt voor zeer nauwkeurige, controle op atomair niveau van de dikte van de emitterende kwiksulfide-tussenlaag. Door het te veranderen in stappen van een enkele atoomlaag, we kunnen de golflengte van het uitgezonden licht afstemmen in discrete gekwantiseerde sprongen, en het verder op een meer continue manier aanpassen door de cadmiumselenide-kerngrootte af te stemmen, " zei Vladimir Sayevich, de leidende chemicus van dit project.

Veruit superieur aan bestaande nabij-infrarood kwantumstippen, deze nieuwe structuren tonen "knippervrije" emissie op een enkel puntniveau, bijna perfecte zuiverheid van één foton bij kamertemperatuur (die "kwantumlicht produceert"), en snelle emissiesnelheden. Ze gedragen zich buitengewoon goed met zowel optische als elektrische excitatie.

Enkele fotonen kunnen worden gebruikt als qubits in kwantumcomputers. In een cyberbeveiligingstoepassing enkele fotonen kunnen een computernetwerk beschermen door middel van kwantumsleuteldistributie, die ultieme beveiliging biedt door middel van "onbreekbare" kwantumprotocollen.

Bio-imaging is een andere belangrijke toepassing. De emissiegolflengte van de nieuw ontwikkelde kwantumdots bevindt zich binnen het nabij-infrarode biotransparantievenster, waardoor ze zeer geschikt zijn voor diepe weefselbeeldvorming.

Mensen kunnen geen infrarood licht zien, maar veel moderne technologieën vertrouwen erop, van nachtkijkers en teledetectie tot telecommunicatie en biomedische beeldvorming. Infraroodlicht is ook een grote speler in opkomende kwantumtechnologieën die afhankelijk zijn van de dualiteit van lichtdeeltjes, of fotonen, die zich ook als golven kunnen gedragen. Het benutten van deze kwantumeigenschap vereist bronnen van "kwantumlicht" die licht uitstralen in de vorm van individuele quanta, of fotonen.

"Er is ook een cool chemisch element in het bereiken van een enkele atomaire laagnauwkeurigheid bij het maken van deze stippen, " zei Zack Robinson, het projectlid dat zich richt op kwantumdotspectroscopie. "De dikte van de emitterende kwiksulfide-tussenlaag is identiek over alle punten in de monsters. Dat is heel uniek, vooral voor een materiaal dat chemisch in een beker is gemaakt."

Klimov heeft toegevoegd, "Echter, dit is slechts de eerste stap. Om volledig te profiteren van 'kwantumlicht' moet men foton-ononderscheidbaarheid bereiken, dat is, om ervoor te zorgen dat alle uitgezonden fotonen kwantummechanisch identiek zijn. Dit is een uiterst moeilijke taak, die we als volgende in ons project zullen aanpakken."